Схемы подключения электродвигателя. Звезда, треугольник, звезда - треугольник

Схемы подключения электродвигателя. Звезда, треугольник, звезда - треугольник 

Существует  два основных способа подключения  трёхфазных электродвигателей:  подключение звезда  и подключение треугольник.

При соединении трёхфазного электродвигателя звездой концы его статорных обмоток сводятся вместе, соединяясь в одной точке, а на начала обмоток подаётся питание (рис 1).

При соединении трёхфазного электродвигателя треугольником   обмотки статора соединяются последовательно – конец одной обмотки соединён с началом следующей (рис 2).

Клеммные  колодки электродвигателей и схемы соединения обмоток:

Не вдаваясь в подробности теоретических  основ электротехники можно сказать, что электродвигатели с обмотками, соединёнными звездой работают намного мягче, чем   с соединением обмоток в треугольник, однако при соединении обмоток звездой двигатель не способен развить полную мощность. При соединении обмоток треугольником двигатель работает на полную паспортную мощность (примерно в 1,5 раз больше, чем при соединении звездой), но имеет очень большие значения пусковых токов.  
 
Поэтому целесообразно (особенно для электродвигателей большой мощности) подключение по схеме звезда – треугольник; запуск осуществляется по схеме звезда, после чего (когда электродвигатель «набрал обороты»), происходит автоматическое переключение на схему звезда.

 

 

 

 

 

Схема управления:

Подключение оперативного напряжения  через контакт NC (нормально закрытый) реле времени К1 и контакт NC К2, в цепи катушки пускателя  К3.

Включение пускателя К3, размыкает контакт К3 в цепи катушки пускателя К2 (блокировка случайного включения) и замыкает  контакт К3, в цепи катушки магнитного пускателя К1 – он  совмещен с контактами реле времени.

При включении пускателя К1 замыкается контакт К1 в цепи катушки магнитного пускателя  К1 и одновременно включается реле времени, размыкается контакт реле времени К1 в цепи катушки пускателя К3, замыкает контакт реле времени К1 в цепи катушки пускателя К2.

Отключение  пускателя К3, замыкается контакт К3 в цепи катушки магнитного пускателя  К2. Включение пускателя К2, размыкает контакт К2 в цепи катушки пускателя К3.

На начала обмоток U1, V1 и W1  через силовые контакты магнитного пускателя К1 подаётся рабочее напряжение. Срабатывание магнитного пускателя К3 его силовые контакты К3, таким образом, соединяя концы обмоток U2, V2 и W2 – обмотки двигателя соединены звездой.

Далее срабатывает  реле времени, совмещённое с пускателем К1, отключая пускатель К3 и одновременно включая К2 – замыкаются силовые  контакты К2 и подаётся напряжение на  концы обмоток электродвигателя U2, V2 и W2. Теперь электродвигатель включен по схеме треугольник.

 

 

 

 

 

 

Коммутация  по схеме звезда-треугольник с  помощью реле защиты электродвигателей 

		Расположение  в проводке двигателя
		Выключатели звезда-треугольник с реле защиты электродвигателей, то есть, с реле перегрузки с тепловой задержкой, в стандартной коммутационной схеме имеют реле защиты электродвигателей в отводах к клеммам двигателя U1, V1, W1 или V2, W2, U2. Реле защиты электродвигателей действует также в схеме звезда, так как оно последовательно соединено с обмоткой двигателя, и через него протекает расчетный ток реле = номинальный ток двигателя × 0,58. Полная электрическая  схема → Раздел Автоматические выключатели звезда-треугольник SDAINL.
		Расположение  в сетевой проводке
		Вместо расположения в проводке двигателя реле защиты электродвигателей также может располагаться в сетевой проводке. Показанный здесь фрагмент демонстрирует измененную электрическую схему по сравнению с → Раздел Автоматические выключатели звезда-треугольник SDAINL. Для приводов, в которых во время пуска двигателя по схеме звезда происходит срабатывание реле F2, возможно подключение в сетевую линию реле F2, соответствующего расчетному току двигателя. При этом время расцепления увеличивается примерно в 4-6 раз. Хотя в схеме звезда через реле также протекает ток, оно не обеспечивает полноценную защиту, так как ток реле соответствует 1,73-кратной величине фазного тока. Тем не менее, реле обеспечивает защиту от отказа при пуске.
		Расположение  в схеме треугольник
		Помимо расположение в проводке двигателя или сетевой проводке реле защиты электродвигателей может быть размещено в схеме треугольник. Показанный фрагмент демонстрирует измененную электрическую схему по сравнению с → Раздел Автоматические выключатели звезда-треугольник SDAINL. При крайне тяжелых, длительных пусках (например, в центрифугах) в соединительные линии "контактор для соединения треугольником Q15 – контактор для соединения звездой Q13" также возможно включение реле F2, соответствующего расчетному току реле = расчетному току двигателя × 0,58. При этом в схеме звезда через реле F2 не протекает ток. То есть, при запуске защита двигателя не обеспечивается. Такая схема всегда используется в тех случаях, когда имеет место явный тяжелый или длительный пуск, а также когда происходит слишком быстрое срабатывание реле с быстронасыщающимся трансформатором.

 

 

 

 

Командные устройства для включения по схеме  звезда-треугольник

Автоматический  выключатель звезда-треугольник SDAINL

Импульсный контактный датчик
Нажимной выключатель  с подсветкой		Две сдвоенные  кнопки
Сдвоенная кнопка со световым индикатором		Клавишный выключатель T0-1-15511 с автоматическим возвратом  в положение 1.		Клавишный выключатель T0-1-15366 с автоматическим возвратом в исходное положение.
		Контактный  датчик длительного включения
Переключатель T0-1-15521 с импульсным контактом в  промежуточном положении		Например: кнопочный  переключатель; Кулачковый  выключатель T; Датчик положения LS; Реле давления MCS;

 

 

 

 

Схема звезда-треугольник с использованием автомата защиты двигателей PKZ2 

Для Icc > Icn при прокладке проводов должна быть обеспечена устойчивость к коротким замыканиям.

2 × RMQ-Titan, M22-… со световым индикатором M22-L…	Кулачковый  выключатель T0-1-8

S11		RMQ-Titan, M22-…
Q1		PKZ2/ZM-…
Q15		S/EZ-PKZ2
Q13		DIL0M Ue ≤ 500 В пер. тока
Q13		S/EZ-PKZ2 Ue ≤ 660 В пер. тока
K1		ETR4-11-A		t		t (с)		15 – 40
Q11		S/EZ-PKZ2		Н		Защита двигателя		( ) +
F0		FAZ				Уставка		l

 

Трехфазный двигатель  и 220 В

Часто возникает  необходимость в подсобном хозяйстве  подключать трехфазный электродвигатель, а есть только однофазная сеть (220 В). Ничего, дело поправимое. Только придется подключить к двигателю конденсатор, и он заработает.

Емкость применяемого конденсатора, зависит от мощности электродвигателя и рассчитывается по формуле

С = 66·Р_ном    мкФ,

где С — емкость конденсатора, мкФ, Р_ном — номинальная мощность электродвигателя, кВт.

То есть можно  считать, что на каждые 100 Вт мощности трехфазного электродвигателя требуется  около 7 мкФ электрической емкости.

Например, для  электродвигателя мощностью 600 Вт нужен  конденсатор емкостью 42 мкФ. Конденсатор такой емкости можно собрать из нескольких параллельно соединенных конденсаторов меньшей емкости:

C_общ=C₁ + C₁+...+С_n

Итак, суммарная  емкость конденсаторов для двигателя  мощностью 600 Вт должна быть не менее 42 мкФ. Необходимо помнить, что подойдут конденсаторы, рабочее напряжение которых  в 1,5 раза больше напряжения в однофазной сети.

В качестве рабочих конденсаторов могут быть использованы конденсаторы типа КГБ, МБГЧ, БГТ. При отсутствии таких конденсаторов применяют и электролитические конденсаторы. В этом случае корпуса конденсаторов электролитических соединяются между собой и хорошо изолируются.

Отметим, что частота вращения трехфазного электродвигателя, работающего от однофазной сети, почти не изменяется по сравнению с частотой вращения двигателя в трехфазном режиме.

Большинство трехфазных электродвигателей подключают в  однофазную сеть по схеме «треугольник» (рис.1). Мощность, развиваемая трехфазным электродвигателем, включенным по схеме «треугольник», составляет 70—75% его номинальной мощности.

 

 

 

 

 

 

Рис 1. Принципиальная (а) и монтажная (б) схемы подсоединения 
трехфазного электродвигателя в однофазную сеть по схеме «треугольник»

Трехфазный электродвигатель подключают так же по схеме «звезда» (рис. 2).

Рис. 2. Принципиальная (а) и монтажная (б) схемы подсоединения 
трехфазного электродвигателя в однофазную сеть по схеме «звезда»

Чтобы произвести подключение по схеме «звезда», необходимо две фазные обмотки электродвигателя подключить непосредственно в однофазную сеть (220 В), а третью — через рабочий конденсатор (С_р) к любому из двух проводов сети.

Для пуска трехфазного  электродвигателя небольшой мощности обычно достаточно только рабочего конденсатора, но при мощности больше 1,5 кВт электродвигатель либо не запускается, либо очень медленно набирает обороты, поэтому необходимо применять еще пусковой конденсатор (С_п). Емкость пускового конденсатора в 2,5 — З раза больше емкости рабочего конденсатора. В качестве пусковых конденсаторов лучше всего применяют электролитические конденсаторы типа ЭП или такого же типа, как и рабочие конденсаторы.

Схема подключения трехфазного  электродвигателя с пусковым конденсатором С_п показана на рис.3

Рис. 3. Схема подсоединения  трехфазного электродвигателя 
в однофазную сеть по схеме «треугольник» с пусковым конденсатором С_п

Нужно запомнить: пусковые конденсаторы включают только на время запуска трехфазного  двигателя, подключенного к однофазной сети на 2—3 с, а затем пусковой конденсатор отключают и разряжают.

Обычно выводы статорных  обмоток электродвигателей маркируют  металлическими или картонными бирками  с обозначением начал и концов обмоток. Если же бирок по каким-либо причинам не окажется, поступают следующим образом. Сначала определяют принадлежность проводов к отдельным фазам статорной обмотки. Для этого возьмите любой из 6 наружных выводов электродвигателя и присоедините его к какому-либо источнику питания, а второй вывод источника подсоедините к контрольной лампочке и вторым проводом от лампы поочередно прикоснитесь к оставшимся 5 выводам статорной обмотки, пока лампочка не загорится. Загорание лампочки означает, что 2 вывода принадлежат к одной фазе. Условно пометим бирками начало первого провода С1, а его конец — С4. Аналогично найдем начало и конец второй обмотки и обозначим их C2 и C5, а начало и конец третьей — СЗ и С6.

Следующим и основным этапом будет определение начала и конца  статорных обмоток. Для этого  воспользуемся способом подбора, который применяется для электродвигателей мощностью до 5 кВт. Соединим все начала фазных обмоток электродвигателя согласно ранее присоединенным биркам в одну точку ( используя схему «звезда» ) и включим двигатель в однофазную сеть с использованием конденсаторов.

Если двигатель без  сильного гудения сразу наберет  номинальную частоту вращения, это  означает, что в общую точку  попали все начала или все концы  обмотки. Если при включении двигатель  сильно гудит и ротор не может  набрать номинальную частоту вращения, то в первой обмотке поменяйте местами выводы С1 и С4. Если это не помогает, концы первой обмотки верните в первоначальное положение и теперь уже выводы C2 и С5 поменяйте местами. То же самое сделайте в отношении третьей пары, если двигатель продолжает гудеть.

При определении начал  и концов фазных обмоток статора  электродвигателя строго придерживайтесь  правил техники безопасности. В частности, прикасаясь к зажимам статорной  обмотки, провода держите только за изолированную часть. Это необходимо делать еще и потому, что электродвигатель имеет общий стальной магнитопровод и на зажимах других обмоток может появиться большое напряжение.

Для изменения  направления вращения ротора трехфазного  электродвигателя, включенного в  однофазную сеть по схеме «треугольник» (см. рис. 1), достаточно третью фазную обмотку статора (W) подсоединить через конденсатор к зажиму второй фазной обмотки статора (V).

Чтобы изменить направление вращения трехфазного  электродвигателя, включенного в  однофазную сеть по схеме «звезда» (см. рис. 2, б), нужно третью фазную обмотку статора (W) подсоединить через конденсатор к зажиму второй обмотки (V). Направление вращения однофазного двигателя изменяют, поменяв подключение концов пусковой обмотки П1 и П2 (рис. 4). При проверке технического состояния электродвигателей нередко можно с огорчением заметить, что после продолжительной работы появляются посторонний шум и вибрация, а ротор трудно повернуть вручную. Причиной этого может быть плохое состояние подшипников: беговые дорожки покрыты ржавчиной, глубокими царапинами и вмятинами, повреждены отдельные шарики и сепаратор. Во всех случаях необходимо детально осмотреть электродвигатель и устранить имеющиеся неисправности. При незначительном повреждении достаточно промыть подшипники бензином, смазать их, очистить корпус двигателя от грязи и пыли.

Чтобы заменить поврежденные подшипники, удалите их винтовым съемником с вала и промойте бензином место посадки подшипника. Новый подшипник нагрейте в масляной ванне до 80°С. Уприте металлическую трубу, внутренний диаметр которой немного превышает диаметр вала, во внутреннее кольцо подшипника и легкими ударами молотка по трубе насадите подшипник на вал электродвигателя. После этого заполните подшипник на 2/3 объема смазкой. Сборку производите в обратном порядке. В правильно собранном электродвигателе ротор должен вращаться без стука и вибрации.

Рис. 4. Изменение направления вращения ротора 
однофазного двигателя переключением пусковой обмотки

 

Трехфазные электрические цепи

Трехфазная цепь является частным  случаем многофазных электрических  систем, представляющих собой совокупность электрических цепей, в которых действуют ЭДС одинаковой частоты, сдвинутые по фазе относительно друг друга на определенный угол. Отметим, что обычно эти ЭДС, в первую очередь в силовой энергетике, синусоидальны. Однако, в современных электромеханических системах, где для управления исполнительными двигателями используются преобразователи частоты, система напряжений в общем случае является несинусоидальной. Каждую из частей многофазной системы, характеризующуюся одинаковым током, называют фазой, т.е. фаза – это участок цепи, относящийся к соответствующей обмотке генератора или трансформатора, линии и нагрузке.

Таким образом, понятие «фаза» имеет  в электротехнике два различных  значения:

• фаза как аргумент синусоидально изменяющейся величины;
• фаза как составная часть многофазной электрической системы.

Разработка многофазных систем была обусловлена исторически. Исследования в данной области были вызваны  требованиями развивающегося производства, а успехам в развитии многофазных  систем способствовали открытия в физике электрических и магнитных явлений.

Важнейшей предпосылкой разработки многофазных  электрических систем явилось открытие явления вращающегося магнитного поля (Г.Феррарис и Н.Тесла, 1888 г.). Первые электрические двигатели были двухфазными, но они имели невысокие рабочие характеристики. Наиболее рациональной и перспективной оказалась трехфазная система, основные преимущества которой будут рассмотрены далее. Большой вклад в разработку трехфазных систем внес выдающийся русский ученый-электротехник М.О.Доливо-Добровольский, создавший трехфазные асинхронные двигатели, трансформаторы, предложивший трех- и четырехпроводные цепи, в связи с чем по праву считающийся основоположником трехфазных систем.

Источником трехфазного напряжения является трехфазный генератор, на статоре которого (см. рис. 1) размещена трехфазная обмотка. Фазы этой обмотки располагаются таким образом, чтобы их магнитные оси были сдвинуты в пространстве друг относительно друга на эл. рад. На рис. 1 каждая фаза статора условно показана в виде одного витка. Начала обмоток принято обозначать заглавными буквами А,В,С, а концы- соответственно прописными x,y,z. ЭДС в неподвижных обмотках статора индуцируются в результате пересечения их витков магнитным полем, создаваемым током обмотки возбуждения вращающегося ротора (на рис. 1 ротор условно изображен в виде постоянного магнита, что используется на практике при относительно небольших мощностях). При вращении ротора с равномерной скоростью в обмотках фаз статора индуцируются периодически изменяющиеся синусоидальные ЭДС одинаковой частоты и амплитуды, но отличающиеся вследствие пространственного сдвига друг от друга по фазе на рад. (см. рис. 2).

Трехфазные системы в настоящее  время получили наибольшее распространение. На трехфазном токе работают все крупные электростанции и потребители, что связано с рядом преимуществ трехфазных цепей перед однофазными, важнейшими из которых являются: 

- экономичность передачи электроэнергии  на большие расстояния;

- самым надежным и экономичным,  удовлетворяющим требованиям промышленного электропривода является асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором;

- возможность получения с помощью  неподвижных обмоток вращающегося  магнитного поля, на чем основана  работа синхронного и асинхронного  двигателей, а также ряда других электротехнических устройств;

- уравновешенность симметричных  трехфазных систем.

Для рассмотрения важнейшего свойства уравновешенности трехфазной системы, которое будет доказано далее, введем понятие симметрии многофазной системы.

Система ЭДС (напряжений, токов и т.д.) называется симметричной, если она состоит из m одинаковых по модулю векторов ЭДС (напряжений, токов и т.д.), сдвинутых по фазе друг относительно друга на одинаковый угол . В частности векторная диаграмма для симметричной системы ЭДС, соответствующей трехфазной системе синусоид на рис. 2, представлена на рис. 3. 

 

Рис.3	Рис.4

Из несимметричных систем наибольший практический интерес представляет двухфазная система с 90-градусным  сдвигом фаз (см. рис. 4).

Все симметричные трех- и m-фазные (m>3) системы, а также двухфазная система являются уравновешенными. Это означает, что хотя в отдельных фазах мгновенная мощность пульсирует (см. рис. 5,а), изменяя за время одного периода не только величину, но в общем случае и знак, суммарная мгновенная мощность всех фаз остается величиной постоянной в течение всего периода синусоидальной ЭДС (см. рис. 5,б).

Уравновешенность имеет важнейшее  практическое значение. Если бы суммарная  мгновенная мощность пульсировала, то на валу между турбиной и генератором действовал бы пульсирующий момент. Такая переменная механическая нагрузка вредно отражалась бы на энергогенерирующей установке, сокращая срок ее службы. Эти же соображения относятся и к многофазным электродвигателям.

Если симметрия нарушается (двухфазная система Тесла в силу своей специфики в расчет не принимается), то нарушается и уравновешенность. Поэтому в энергетике строго следят за тем, чтобы нагрузка генератора оставалась симметричной.  

 

Схемы соединения трехфазных систем

Трехфазный генератор (трансформатор) имеет три выходные обмотки, одинаковые по числу витков, но развивающие ЭДС, сдвинутые по фазе на 1200. Можно было бы использовать систему, в которой фазы обмотки генератора не были бы гальванически соединены друг с другом. Это так называемая несвязная система. В этом случае каждую фазу генератора необходимо соединять с приемником двумя проводами, т.е. будет иметь место шестипроводная линия, что неэкономично. В этой связи подобные системы не получили широкого применения на практике.

Для уменьшения количества проводов в линии фазы генератора гальванически связывают между собой. Различают два вида соединений: в звезду и в треугольник. В свою очередь при соединении в звезду система может быть трех- и четырехпроводной. 

 

 

 

Соединение в звезду

На рис. 6 приведена трехфазная система  при соединении фаз генератора и  нагрузки в звезду. Здесь провода АА’, ВВ’ и СС’ – линейные провода.

Линейным называется провод, соединяющий начала фаз обмотки генератора и приемника. Точка, в которой концы фаз соединяются в общий узел, называется нейтральной (на рис. 6 N и N’ – соответственно нейтральные точки генератора и нагрузки).

Провод, соединяющий нейтральные  точки генератора и приемника, называется нейтральным (на рис. 6 показан пунктиром). Трехфазная система при соединении в звезду без нейтрального провода называется трехпроводной, с нейтральным проводом – четырехпроводной.

Все величины, относящиеся к фазам, носят название фазных переменных, к линии - линейных. Как видно из схемы на рис. 6, при соединении в звезду линейные токи и равны соответствующим фазным токам. При наличии нейтрального провода ток в нейтральном проводе . Если система фазных токов симметрична, то . Следовательно, если бы симметрия токов была гарантирована, то нейтральный провод был бы не нужен. Как будет показано далее, нейтральный провод обеспечивает поддержание симметрии напряжений на нагрузке при несимметрии самой нагрузки.

Поскольку напряжение на источнике  противоположно направлению его  ЭДС, фазные напряжения генератора (см. рис. 6) действуют от точек А,В и С к нейтральной точке N; - фазные напряжения нагрузки.

 

 

 

 

 

Линейные напряжения действуют  между линейными проводами. В  соответствии со вторым законом Кирхгофа для линейных напряжений можно записать

;

(1)

;

(2)

.

(3)

Отметим, что всегда - как сумма напряжений по замкнутому контуру.

На рис. 7 представлена векторная  диаграмма для симметричной системы  напряжений. Как показывает ее анализ (лучи фазных напряжений образуют стороны  равнобедренных треугольников с  углами при осно.  вании, равными 300), в этом случае

 

(4)

Обычно при расчетах принимается  . Тогда для случая прямого чередования фаз , (при обратном чередовании фаз фазовые сдвиги у и меняются местами). С учетом этого на основании соотношений (1) …(3) могут быть определены комплексы линейных напряжений. Однако при симметрии напряжений эти величины легко определяются непосредственно из векторной диаграммы на рис. 7. Направляя вещественную ось системы координат по вектору (его начальная фаза равна нулю), отсчитываем фазовые сдвиги линейных напряжений по отношению к этой оси, а их модули определяем в соответствии с (4). Так для линейных напряжений и получаем: ; .  

 

 

 

Соединение в треугольник

В связи с тем, что значительная часть приемников, включаемых в трехфазные цепи, бывает несимметричной, очень важно на практике, например, в схемах с осветительными приборами, обеспечивать независимость режимов работы отдельных фаз. Кроме четырехпроводной, подобными свойствами обладают и трехпроводные цепи при соединении фаз приемника в треугольник. Но в треугольник также можно соединить и фазы генератора (см. рис. 8).

 
   

Для симметричной системы ЭДС имеем 

.

Таким образом, при отсутствии нагрузки в фазах генератора в схеме  на рис. 8 токи будут равны нулю. Однако, если поменять местами начало и конец любой из фаз, то и в треугольнике будет протекать ток короткого замыкания. Следовательно, для треугольника нужно строго соблюдать порядок соединения фаз: начало одной фазы соединяется с концом другой.

Схема соединения фаз генератора и приемника в треугольник представлена на рис. 9.

Очевидно, что при соединении в  треугольник линейные напряжения равны  соответствующим фазным. По первому  закону Кирхгофа связь между линейными  и фазными токами приемника определяется соотношениями

 

 

 

 

 

 

Аналогично можно выразить линейные токи через фазные токи генератора.

На рис. 10 представлена векторная  диаграмма симметричной системы  линейных и фазных токов. Ее анализ показывает, что при симметрии  токов

 

.

(5)

В заключение отметим, что помимо рассмотренных соединений «звезда - звезда» и «треугольник - треугольник» на практике также применяются схемы «звезда - треугольник» и «треугольник - звезда».

 

 

 

Литература

1. Основы теории цепей: Учеб. для вузов /Г.В.Зевеке, П.А.Ионкин, А.В.Нетушил, С.В.Страхов. –5-е изд., перераб. –М.: Энергоатомиздат, 1989. -528с.
2. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники: Электрические цепи. Учеб. для студентов электротехнических, энергетических и приборостроительных специальностей вузов. –7-е изд., перераб. и доп. –М.: Высш. шк., 1978. –528с.